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SOBRE EL PROYECTO

Este proyecto, “Apoyo a la Implementación de Paisajes Rurales Climáticamente Inteligentes en Colombia”, emprende una iniciativa científica integral para comprender y anticipar los profundos impactos del cambio climático en los recursos hídricos a lo largo de seis regiones vitales: Boyacá-Santander, Caribe-Occidental, Caribe-Oriental, Cauca-Nariño, Meta-Vichada y Tolima-Huila.

Nuestro trabajo es un testimonio de metodologías de vanguardia y modelado integrado, diseñado para empoderar a los tomadores de decisiones con información sólida para un futuro resiliente. Nos hemos sumergido profundamente en la intrincada dinámica del agua, tanto superficial como subterránea, para ofrecer una imagen clara de los desafíos y oportunidades hasta el año 2050.

Lo Que Hicimos: Desvelando el Futuro del Agua

Nuestro enfoque fue meticulosamente estructurado, combinando diversas fuentes de datos y herramientas analíticas avanzadas:

1. Construyendo los Cimientos: Datos Hidroclimáticos y Herramientas de Modelado Avanzado

• Comenzamos reuniendo y depurando minuciosamente datos hidroclimáticos, integrando observaciones de estaciones locales con productos satelitales y de reanálisis de última generación (como CHIRPS, MSWEP y MSWX). Esto nos permitió superar la escasez de datos y asegurar una alta resolución espacial y temporal para la precipitación y la temperatura.
• La evapotranspiración, un componente crucial del balance hídrico, se estimó con precisión utilizando métodos como Hargreaves-Samani y Penman-Monteith, mejorados por técnicas avanzadas de fusión de datos (RF-MEP).
• Para las simulaciones hidrológicas, seleccionamos WEAP (Water Evaluation And Planning), una plataforma de modelado integrada y robusta. Esta elección fue estratégica, permitiéndonos representar las complejas interacciones entre los procesos hidrológicos naturales y las actividades humanas dentro de las cuencas, incluyendo las operaciones de infraestructura y las diversas demandas de agua.

2. Caracterizando el Presente: Líneas Base Hidroclimáticas e Hidrogeológicas

• Realizamos una caracterización exhaustiva de los patrones hidroclimáticos de la región Caribe-Oriental, analizando datos de precipitación, temperatura y caudal. Esto implicó un riguroso control de calidad, detección de valores atípicos y análisis de homogeneidad para establecer líneas base históricas fiables (1982-2022).
• Simultáneamente, mapeamos y clasificamos los sistemas hidrogeológicos de la región basándonos en estándares internacionales, identificando los tipos clave de acuíferos (intergranulares, fracturados y de recursos limitados) y sus dinámicas de flujo inherentes. Esto proporcionó una comprensión crucial del potencial de las aguas subterráneas y su interacción con las aguas superficiales.

3. Simulando el Pasado: Desarrollo y Validación del Modelo Hidrológico

• Utilizando el “Método de Humedad del Suelo” de WEAP, desarrollamos modelos hidrológicos para cada región, integrando datos de cuencas, municipios, tipos de suelo y coberturas terrestres, permitiendo una simulación altamente detallada del movimiento del agua.
• Nuestros modelos se sometieron a rigurosos procesos de calibración y validación (utilizando algoritmos como DDS y métricas como KGE) contra datos históricos de caudal. Esto aseguró que los modelos representaran con precisión el comportamiento hidrológico del mundo real, brindando confianza en sus capacidades predictivas.
• También cuantificamos la demanda histórica de agua en sectores clave: agricultura (identificando el consumo de agua específico por cultivo y la eficiencia del riego), pecuario (considerando las necesidades de agua de los animales) y agua potable (reflejando el crecimiento de la población y la expansión urbana).
• Se calcularon indicadores clave del agua como el Índice de Regulación y Retención Hídrica (IRH), el Índice de Uso del Agua (IUA) y el Índice de Vulnerabilidad al Desabastecimiento Hídrico (IVH) para el período histórico, ofreciendo una evaluación de referencia del estrés hídrico y la salud de los ecosistemas.

4. Proyectando el Futuro: Escenarios de Cambio Climático y Análisis de Impactos

• Aprovechando las proyecciones del Sexto Informe de Evaluación del IPCC (AR6-IPCC), específicamente los escenarios SSP2-4.5 (emisiones moderadas) y SSP5-8.5 (emisiones altas) para el período 2040-2070, generamos los insumos climáticos futuros (precipitación y temperatura) para nuestros modelos hidrológicos.
• Estos escenarios climáticos futuros se incorporaron en los modelos WEAP calibrados para simular sus impactos en la disponibilidad y demanda de agua. Analizamos los cambios proyectados en la Oferta Hídrica Total Superficial (OHTS), y el comportamiento futuro del IRH, IUA y IVH.
• Para una visión holística, integramos los conocimientos del modelo DynQual para evaluar la calidad del agua bajo diferentes condiciones hidroclimáticas, incluyendo el impacto de contaminantes (como coliformes fecales, DBO y sólidos suspendidos) en los índices de calidad del agua.
• Un elemento crítico fue el análisis de la dinámica de las aguas subterráneas: analizamos datos satelitales (GRACE-GLDAS) para identificar anomalías en las aguas subterráneas y calculamos las tasas de recarga potencial. Esto nos permitió comprender cómo el cambio climático podría afectar el almacenamiento y la disponibilidad de las aguas subterráneas.

5. Forjando Resiliencia: Proponiendo Medidas de Adaptación

• Basándonos en el análisis exhaustivo de las condiciones hídricas presentes y futuras, identificamos áreas críticas que enfrentan un aumento del estrés hídrico o la vulnerabilidad.
• Para estas áreas, propusimos medidas de adaptación específicas, que incluyen:
  • Recarga Artificial de Acuíferos (RAA): Técnicas para reponer intencionalmente las reservas de agua subterránea, utilizando el excedente de agua superficial para amortiguar los períodos secos.
  • Uso Eficiente de Aguas Subterráneas Someras: Promover la explotación sostenible de acuíferos poco profundos y la construcción de sistemas locales de recolección de agua (por ejemplo, aljibes o pozos).
  • Gestión de la Intrusión Salina: Estrategias específicas para las regiones costeras para proteger los acuíferos de agua dulce de la contaminación por agua salada debido al aumento del nivel del mar y la sobreexplotación.
  • Uso Eficiente del Agua Agrícola: Implementación de técnicas de riego avanzadas, diversificación de cultivos y mejores prácticas de gestión del agua para reducir la demanda de agua en la agricultura.
  • Explotación de Medios Fracturados: Explorar el potencial del agua almacenada en formaciones rocosas fracturadas como una fuente de agua confiable, especialmente en áreas con disminución de las aguas superficiales.
• Nuestras recomendaciones también enfatizan la importancia de la gobernanza, el desarrollo de capacidades y el monitoreo continuo para asegurar que estas estrategias de adaptación sean efectivas y sostenibles.

Esta investigación pionera es un recurso vital para la planificación regional, la priorización de inversiones y el desarrollo de estrategias de adaptación para construir resiliencia climática en el sector hídrico de Colombia. Es un paso proactivo para salvaguardar este recurso invaluable para las comunidades y los ecosistemas en un clima cambiante.

Figura 1. Localización estaciones climatológicas

Figura 2. Localización estaciones hidrológicas

Mapa

Mapa

Resultados Caudales

La información de caudal obtenida a partir de las mediciones de nivel en cuerpos loticos es útil para caracterizar el comportamiento hidrológico de las corrientes al interior de la región Caribe-Oriental. Adicionalmente, esta información es utilizada en modelación hidrológica para la calibración de los parámetros que definen los procesos modelados. Para esta variable no se siguió la clasificación en clústeres utilizada para las variables climáticas, dado que la dinámica espacial de esta depende de procesos hidrológicos y geomorfológicos. Sin embargo, la característica acumulativa de la variable permite su agrupación en rangos altitudinales en los que es posible diferenciar la magnitud y el comportamiento interanual de los caudales. Esta región con una variación en la elevación de entre 10 y 3500 msnm, se clasificó las estaciones en rangos de 500 msnm. Con un total de 7 rangos altitudinales, es evidente la variación en la magnitud de los caudales desde las elevaciones superior con caudales más bajos, hasta las menores elevaciones con caudales significativamente superiores (ver Figura 3). Adicionalmente, para los caudales medios se destaca que en la medida que se desciende se hace más evidente el régimen bimodal con picos de caudal en los periodos abril-mayo y octubre-noviembre.

Para cada una de las estaciones hidrométricas disponibles en la región se construyeron diagramas de cajas y bigotes para caracterizar el comportamiento mensual multianual en metros cúbicos por segundo como se muestra en la Figura 4. Los gráficos generados para las demás estaciones se encuentran disponibles en el Anexo 9 del informe final.

Disponibilidad de información

La disponibilidad de información referida a la cantidad y dispersión de los datos en las series de caudal requirió en primer lugar la estimación del número de datos faltantes en cada mes en cada una de las estaciones. En la Figura 5 se representa la disponibilidad de información con base en la cantidad de faltantes que se tiene para cada mes de registro en el periodo de análisis para aproximadamente 80 estaciones hidrométricas.

Para analizar la disponibilidad de información diaria de caudal se realizó el conteo de datos disponibles en cada uno de los días del periodo de análisis (ver Figura 6). Para la región existe una disponibilidad de entre 20 y 60 estaciones diarias. El menor número de estaciones se encuentra al final del periodo de análisis y durante cortos periodos de tiempo alrededor de los años 1998, 2002 y en el periodo 2012-2017 en los que se llega a tener menos de 40 estaciones disponibles.

Evaluación de datos atípicos

Se contabilizó la cantidad de datos atípicos de caudal en cada mes y se estimó la mediana para cada uno de los grupos (bajos y altos). Para cada estación se generaron gráficos como el de la Figura 7, los cuales se encuentran disponibles en el Anexo 9.

Homogeneidad y tendencia de las series

La prueba de Pettitt fue aplicada sobre cada una de las series mensuales de temperatura y adicionalmente, se calculó la media móvil en una ventana de 12 meses para verificar la existencia de alguna tendencia en las series. La Figura 8 presenta el resultado de la prueba para una estación. Las figuras generadas para la totalidad de las estaciones se encuentran disponibles en el Anexo 9.

De esta manera para estación 28047020 perteneciente al río Ariguaní, se identificó un punto de cambio en el año 2012, con una reducción en la media para el periodo posterior de aproximadamente 0.6 m3/s respecto al periodo 1982-2012.

Figura 3. Caracterización de caudales mensuales multianuales en rangos altitudinales

Figura 4. Caracterización del régimen mensual multianual de caudales

Figura 5. Disponibilidad de información de caudales medios diarios

Figura 6. Número de estaciones de caudal disponibles en el periodo de análisis

Figura 7. Datos atípicos en la estación 23167010

Figura 8. Resultados prueba de homogeneidad de Pettitt

Coberturas de la Tierra

Gráfico Sunburs

Introducción

Con el ánimo de comprender cómo la disponibilidad del agua en la región Caribe-Oriental se puede ver afectada por diversos escenarios de cambio climático para el período 2040 – 2070, se evaluaron las condiciones climáticas resultantes de los Modelos de Circulación General (GCM por sus siglas en inglés) del Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (AR6-IPCC por sus siglas en inglés). En particular, se consideraron los GCM que cuentan con información de precipitación y temperaturas media, mínima y máxima, además de estar disponibles para los cuatro escenarios prioritarios del AR6-IPCC (SSP 1-2.6, SSP 2-4.5, SSP 3-7.0 y SSP 5-8.5), como se presentó en Producto B2 de esta consultoría, resultando en un total de 20 GCM y 4 escenarios SSP.

En esta sección se presentan los resultados de las proyecciones climáticas para la región Caribe-Oriental a partir de los GCM, la representatividad local de los GCM y la priorización de estos para la definición de los ensambles hidrológicos.

Proyecciones climáticas

Las Figura 9 a Figura 12 muestran la distribución espacial de los cambios promedio en precipitación, temperatura media, mínima y máxima. Los cambios en precipitación en el escenario SSP 1-2.6, si bien muestra un promedio de +0.6 %, la zona sur muestra cambios mayores (aumento menor a 5 %) que en el resto de la región (cambio menor a 2.5 %). Este patrón se mantiene en los otros escenarios, sin embargo, tiende a cambios más negativos para los escenarios más pesimistas. En cuanto a las temperaturas, en el escenario SSP 1-2.6 tiende a haber un cambio homogéneo a lo largo de la región, pero para los escenarios más pesimistas, los cambios se acentúan hacia el este. En este sentido, las proyecciones indican que el este de la región presentaría condiciones más adversas asociadas a una mayor disminución en la precipitación y mayor aumento en la temperatura.

Figura 9. Cambio medio proyectado para la precipitación anual

Figura 10. Cambio medio proyectado para la temperatura media

Figura 11. Cambio medio proyectado para la temperatura mínima

Figura 12. Cambio medio proyectado para la temperatura máxima

IRH

La estimación del IRH para la región Caribe-Oriental se presenta en la Figura 13. Al lado izquierdo de la figura se puede ver la distribución espacial de las categorías obtenidas por el índice, los valores obtenidos para cada una se las cuencas se pueden ver en las etiquetas de cada polígono. En esta figura se evidencia que en la zona cenagosa la regulación es predominantemente alta. No se observa un patrón claro con respecto a la disminución de regulación desde un punto de vista geográfico. En el costado derecho de la Figura 13 se puede ver el porcentaje de las cuencas clasificadas por cada categoría del IRH, resaltándose que ninguna de las cuencas de la región Caribe-Oriental clasificó con un IRH Muy alto o Muy bajo. La mayoría de las cuencas (64%) se encuentran en el rango Moderado, seguido por el 19% de las cuencas en el rango Bajo y 17 % alto. El IRH en categoría Alta se encuentra principalmente en cuencas con presencia de ciénagas, mientras que las de categoría Baja se encuentran en zonas Altas. Las cuencas intermedias fueron categorizadas con IRH Medio.

IUA

Previo al cálculo del IUA se estimó el caudal ambiental (Figura 14 izq) para cada una de las cuencas analizadas, esta variable se presenta en unidades de Hm3año-1 con el fin de hacerla comparable con las demás variables requeridas dentro del cálculo del IUA. Para la región Caribe - Oriental el Q ambiental varía entre 1 y 146 Hm3año-1, los valores más altos se observan hacia las cuencas medias de la región, y los valores intermedios constituyen a la zona cenagosa. Adicionalmente, se estimó la OHTS (Figura 14 Der.), cuyo comportamiento espacial es similar al del caudal ambiental. Para la región Caribe - Oriental, esta variable se presenta entre 5 y 334 Hm3año-1, siendo el costado oriental el que mayor OHTS presenta.

El IUA para la región Caribe-Oriental se muestran en la Figura 15. la categoría que predomina es el uso Muy Bajo, el cual representa el 36% del total de cuencas ubicadas algunas en zonas altas. El 27% de las cuencas se categorizó en el uso bajo, donde la mayoría de las cuencas se localizan en las partes altas de la región. Es necesario resaltar, que se encontraron 7 cuencas en condición crítica de uso (9% del total), estas se localizan cerca al sector de Ciénaga y Aracataca, y otras 6 (8%) en condición de uso muy alto ubicadas en la misma región.

Las cuencas con IUA crítico (C24, C37, C43, C53, C58, C59, C62) tienen una demanda total que supera significativamente la oferta disponible, lo que indica un alto estrés hídrico. Las cuencas con IUA muy alto (C21, C29, C31, C42, C44, C64) también muestran una demanda considerable en relación con la oferta, aunque no tan extrema como en las críticas. Las cuencas con IUA alto (C22, C60, C70) tienen una demanda que es relativamente alta en comparación con la oferta, pero aún manejable. Las cuencas con IUA moderado (C18, C23, C26, C27, C36, C52, C57, C61, C63, C66, C67) presentan un equilibrio más razonable entre la demanda y la oferta. Las cuencas con IUA bajo (C02, C07, C11, C12, C15, C28, C35, C39, C40, C41, C46, C47, C49, C50, C51, C56, C68, C69, C74) tienen una demanda que es baja en comparación con la oferta disponible. Las cuencas con IUA muy bajo (C01, C03, C04, C05, C06, C08, C09, C10, C13, C14, C16, C19, C20, C25, C30, C32, C33, C34, C38, C48, C71, C72, C73, C75, C76, C77) tienen una demanda mínima en relación con la oferta, lo que indica un bajo estrés hídrico.

IVH

Los resultados del IVH para la región Caribe-Oriental se presentan en la Figura 16. En general, en la región Caribe - Oriental predomina una Baja vulnerabilidad al desabastecimiento para la condición base evaluada (46 cuencas - 59% del total), la siguiente categoría con mayor dominancia es media con 9 cuencas (12%), este resultado corresponde a las bajas demandas de agua que se tiene en estas cuencas y sugiere condiciones relativamente buenas de recursos hídricos en la mayor parte de la región. en categoría Alta y Muy Alta se tienen 16 cuencas (21%), lo que indica que en estas cuencas el uso del agua ha superado la regulación-retención y la relación oferta-demanda en el periodo base, así que su manejo debe ser priorizado.

Las cuencas con IVH alto y muy alto presentan principalmente un IUA alto, muy alto o crítico, combinado con IRH moderado o bajo, indicando alta presión sobre recursos con capacidad de regulación limitada. Mientras que las cuencas con IVH Muy bajo presentan un IRH alto combinado con un IUA muy bajo, lo que indica buena capacidad de regulación y baja presión sobre el recurso.

En términos generales no se observa una correlación clara entre el área de las cuencas y su categoría de IVH (ver Tabla 8). Tanto cuencas pequeñas como grandes pueden presentar diferentes niveles de vulnerabilidad, lo que sugiere que otros factores como el uso del agua y la capacidad de regulación hídrica tienen mayor influencia en la determinación del IVH. Adicionalmente, Se identifican agrupamientos claros de vulnerabilidad, con zonas de baja vulnerabilidad en el norte y noreste, y zonas de alta vulnerabilidad en el centro y suroeste de la región.

Figura 13. Índice de Retención y Regulación Hídrica

Figura 14. Caudal Ambiental

Figura 15. Índice del uso del agua

Figura 16. Índice de vulnerabilidad al desabastecimiento superficial

IRH

La Figura 17, contiene información sobre el comportamiento del Índice de Regulación y Retención Hídrica (IRH) en distintas subcuencas bajo dos escenarios de cambio climático: SSP2-4.5 y SSP5-8.5. Los valores representan el cambio porcentual con respecto al escenario de referencia, donde valores positivos indican una mejora en la regulación y retención hídrica, mientras que valores negativos señalan un deterioro.

OHTS

Continuando con la caracterización de la oferta hídrica, se introduce el Índice de Oferta Hídrica Total Superficial (OHTS). Este índice cuantifica el volumen total de agua superficial disponible en cada subcuenca. Representa la cantidad bruta de agua que fluye en ríos, arroyos y otros cuerpos de agua superficial, constituyendo la base del recurso hídrico disponible. Comprender la distribución espacial de este índice y cómo se modifica ante el cambio climático es esencial para evaluar el potencial hídrico de cada subcuenca y anticipar posibles déficits o excedentes en la oferta de agua. La Figura 18, ilustra el cambio porcentual de este índice, comparando escenarios de cambio climático con los valores de referencia. Un valor positivo y distante de cero señala una mejora notable del índice, mientras que un valor negativo indica un deterioro considerable.

IUA

La Figura 19, ilustra espacialmente el Índice de Uso del Agua (IUA) en las subcuencas. Los mapas de la columna izquierda presentan el IUA bajo el escenario de cambio climático SSP2-4.5, mientras que los de la columna derecha corresponden al escenario SSP5-8.5. En cuanto a las filas, la superior muestra el IUA para el percentil 5%, representando condiciones de uso de agua menos severas; la fila central para el percentil 50%, indicando un uso más probable; y la fila inferior para el percentil 95%, reflejando condiciones de uso de agua severas. A continuación, se destacarán los patrones espaciales más relevantes y las implicaciones del comportamiento del IUA en cada uno de estos escenarios de cambio climático para las condiciones indicadas.

IVH

Finalmente, para complementar la visión de la dinámica hídrica, se introduce el índice de vulnerabilidad hídrica por desabastecimiento (IVH) desarrollado por el IDEAM. Este índice evalúa la susceptibilidad al desabastecimiento del agua superficial de cada unidad hidrográfica de análisis, considerando factores como el uso del agua (i.e., socioeconómicos) y la capacidad de regulación hídrica. Un alto índice de vulnerabilidad señala áreas donde los recursos hídricos son más frágiles y susceptibles al estrés, haciendo prioritario implementar medidas de adaptación y gestión (Figura 20).

Figura 17. Índice de regulación y retención hídrica (CC)

Figura 18. Índice oferta hídrica total superficial (CC)

Figura 19. Índice de Uso del Agua (CC)

Figura 20. Índice de vulnerabilidad hídrica por desabastecimiento (CC)